Hall Sensor La tecnología de los Posicionadores Inteligentes de última generación

INTRODUCCIÓN

El notable desarrollo de Física y la electrónica en los últimos fue lo más determinante de todas las áreas técnicas. Actualmente somos incapaces de vivir sin las facilidades y beneficios posibilitados por ellas en nuestras rutinas diarias. Lo mismo se pasa en los procesos y controles industriales, donde atestiguamos los avances tecnológicos logrados con el advenimiento de los microprocesadores, la tecnología Fieldbus, la Internet, etc.

En este artículo comentaremos una interesante aplicación de Física en el desarrollo de los posicionadores inteligentes de Válvulas, basados en el Sensor Hall y que agregará varios recursos de performance y diagnósticos.

SENSOR HALL

El sensor Hall recibe este nombre por basarse en el efecto Hall descubierto en 1879 por Edwin Hall.

Este efecto es el resultado de la fuerza de Lorentz en el movimiento de electrones sometidos a un campo magnético.

Cuando un flujo de corriente pasa por  un material no expuesto a un campo magnético, las líneas equipotenciales que cruzan perpendicularmente por este flujo son líneas rectas.

La fuerza de Lorentz en el movimiento de electrones del material es obtenida a través de:

F = q x (v x B)
donde:

  • q: carga del electrón
  • B: campo magnético

El producto externo indica que la fuerza tiene dirección mutuamente perpendicular al flujo de corriente y al campo magnético.

Cuando se tiene un flujo de corriente en un material sometido a un campo magnético perpendicular, el ángulo en que el flujo de corriente es modificado por el campo magnético se denomina ángulo HALL. Se trata de un parámetro dependiente del tipo de material y que se determina por la movilidad del electrón, que es también determinante del coeficiente de Hall RH. En este caso, las líneas equipotenciales de la largura del material son inclinadas, lo que nos indica la tensión Hall medida. O sea, la tensión es proporcional al campo magnético aplicado.

El efecto Hall está presente en todos los materiales, pero su aplicación es eficaz solamente donde la movilidad del electrón es relativamente alta, como por ejemplo en el arsenito de gálio (GaAs).

En términos constructivos, resumidamente, considérese un determinado material (figura 1) con espesura d, conduciendo una corriente i a través de su largura y sometido a un campo magnético B aplicado perpendicularmente a la dirección de su espesura. El resultado es la generación de tensión conocida como tensión de Hall, VHALL, cuya magnitud es dada por:

VHALL = (RH/d) x i x B       donde RH es  la constante Hall del material. 

Figura 1 – Principio de construcción y funcionamiento del sensor Hall

Figura 1 – Principio de construcción y funcionamiento del sensor Hall

Actualmente, existen innumeras aplicaciones de estos sensores, desde la aplicación en servomotores de videocasetes, sensores de torniquete para control de acceso, sensores de velocidad, sistema de inyección de motores automovilísticos, medición de control, potencia y campo magnético, control de motores D sin cepillo, sensores de proximidad, control de rotación, control de posición, etc. Esta última aplicación se describirá en la exposición sobre Posicionadores Inteligentes de Válvulas y Actuadores. La inteligencia de la electrónica y el software se combinan con la última palabra en el desarrollo mecánico.

EL POSICIONADOR INTELIGENTE

Este equipo es de suma importancia en cualquier sector industrial, como elemento final de control acoplado a actuadores y válvulas. Se debe satisfacer a una serie de requisitos operacionales, lo que se puede lograr fácilmente con la utilización de la tecnología del sensor Hall, tales como:

  • Alta sensibilidad;
  • Soportar altas temperaturas;
  • Errores insignificantes de linealidad;
  • Errores insignificantes de vibración;
  • Repetibilidad y estabilidad, minimizando consumos y reduciendo la variabilidad de los procesos;
  • Alta confiabilidad, garantizando continuidad y seguridad operacional;
  • Versatilidad, flexibilidad de uso sin llevar en cuenta el fabricante y el tipo de válvula/actuador, además del curso de movimiento, facilitando la adecuación a nuevas demandas;
  • Fácil operación, con mínimos ajustes, simplificando instalación, operación y mantenimiento, reduciéndose los períodos de inactividad;
  • Proveer funciones avanzadas de diagnósticos, posibilitando reducción de costos operacionales y de mantenimiento, ahorro de tiempo y mejoría del proceso, garantizando optimización constante del proceso.

La tecnología convencional de equipos de actuación se basa en acoplamientos mecánicos, con montaje y ajustes complicados, de baja sensibilidad y precisión, siendo mucha veces responsables por toda la variabilidad del proceso, lo que refleja en la estabilidad de los controles, la estabilidad de la calidad, etc.

El posicionador inteligente de última generación para válvulas de control lineal simple (retorno por resorte) o doble acción, tales como de globo, gaveta, diafragma, etc., válvulas rotativas de control tales como de esfera, mariposa o enchufado con actuadores neumáticos, tales como de diafragma, pistón, etc. se basa en el disco piezo-paleta, consagrado por el uso en el campo y en el sensor de posición por efecto Hall, sin contacto físico, que provee alto desempeño y operación segura. La tecnología digital posibilita escoger entre varios tipos de curva de caracterización, un interfaz simple entre el campo y la sala de control y  otras características interesantes que reducen notablemente el costo de instalación, operación y mantenimiento:

  • Proyecto compacto y modular
  • Bajo consumo de aire
  • Fácil instalación
  • Sensor de Posición sin contacto mecánico
  • Funciona con actuadores lineales y rotativos de acción simple o doble
  • Fácil ajuste y parameterización remota vía comunicación HART, Foundation Fieldbus o Profibus PA, o ajuste local con display
  • Característica de flujo vía sofware
  • Autodiagnosis

Figura 2 – Posicionador Inteligente con tecnología de sensor Hall, sin contacto mecánico

Figura 2 – Posicionador Inteligente con tecnología de sensor Hall, sin contacto mecánico

Las partes principales del módulo de salida son piloto, servo, sensor de efecto Hall y circuito de control de salida.

El circuito de control recibe una señal de ajuste digital de la CPU y una señal de realimentación proveniente del sensor Hall. Fíjese que esta señal es la posición real de la válvula.

La parte neumática se basa en tecnología muy largamente difundida que son el piezo paleta y la válvula carretel.

Un disco piezo eléctrico funciona como paleta en la etapa piloto. La paleta desvía  cuando recibe una tensión por el circuito de control. El pequeño flujo de aire que circula por el pico es bloqueado, alterando la presión de la cámara piloto, que se llama presión piloto.

La presión piloto es muy baja y no tiene capacidad de flujo y por eso debe ser amplificada en la sección servo. Esta tiene un diafragma en la cámara piloto y otro más pequeño en la cámara del carretel. La presión piloto aplica una fuerza en el diafragma de la cámara piloto, la cual, en estado de equilibrio será igual a la fuerza aplicada por la válvula carretel en el diagrama menor de la cámara del carretel.

Por lo tanto, cuando hay alguna alteración de posición a través del posicionador, la presión del piloto aumenta o disminuye (según se explicó en el paso piloto) y este cambio de la presión del piloto fuerza la válvula hacia arriba o hacia abajo alterando la presión de las salidas 1 y 2 hasta alcanzar nuevo equilibrio, lo que resulta en nueva posición de la válvula.

Figura 3 – Esquema de Transductor Neumático

Figura 3 – Esquema de Transductor Neumático

Figure 4 – FY300

Figure 4 – FY300

El sensor Hall se ubica y queda protegido en el interior del módulo transductor. El imán queda prendido al eje de la válvula o del actuador, según la figura 4 (representación didáctica de funcionamiento), donde se ve que habrá aplicación del flujo magnético al sensor Hall y la caracterización de posición, teniéndose en cuenta el centro de los imanes, cuyo campo es nulo.

Figura 5 – Esquema de funcionamiento del Sensor Hall en el Posicionador de Válvulas

Figura 5 – Esquema de funcionamiento del Sensor Hall en el Posicionador de Válvulas 

El único requisito de montaje mecánica es verificar si la flecha grabada en el imán coincide con la flecha grabada en el posicionador cuando la válvula está en la mitad de su curso.

Así, cuando la válvula esté en la mitad de su curso, el sensor Hall recibirá campo nulo e internamente la CPU sabrá que este corresponde a 50% del curso. Una extremidad del curso tendrá señal de tensión máxima caracterizando, por ejemplo, 100% y la otra, señal mínima, caracterizando 0%. Las tensiones de las extremidades se recogen durante el proceso de auto-calibración, en que, sin intervención del usuario, el posicionador determina las tensiones Hall correspondientes a los límites físicos del curso, de manera precisa y segura.

La figura 6 muestra el diagrama funcional del posicionador para el protocolo Profibus PA.

Figura 6 – Diagrama funcional del Posicionador FY303 de Smar

Figura 6 – Diagrama funcional del Posicionador FY303 de Smar

Al analizarse este diagrama, se ve que el posicionador recibe, vía PLC (maestro clase 1), un valor de ajuste según la estrategia de control. Dependiendo del modo de operación, automático o en cascada, este ajuste se escribirá vía servicios cíclicos en el parámetro SetPoint or RcasIn del bloque AO, respectivamente. Este valor pasará por el algoritmo del bloque, que analizará las condiciones de alarme y de seguridad contra fallos, provenido un valor de salida que llegará hasta el bloque transductor. El usuario podrá entonces caracterizar este valor según la curva de la válvula o del actuador, escogiendo Lineal, Tabla de 21 puntos, EQ25, EQ33, EQ50, EP25, EP33 e EP50. Estas curvas permiten que pequeñas variaciones en el setpoint lleven el elemento final cerca del 100% (EQ), o que solo grandes variaciones del ajuste hagan la posición del elemento final llegar cerca del 100% (EP). Una vez definida la curva de transferencia, se pueden definir las tasas  o “rates” de variación %/s con que el setpoint actuará sobre el elemento final. Entonces, el servo PID recibe esta señal además de la posición real vía sensor Hall caracterizado durante la auto-calibración o mismo durante la calibración del usuario, muy usada en aplicaciones split range. Calculada la señal de MV%, se generará el valor del conversor D/A, que actuará como un sensor Piezo, produciendo la presión en las cámaras del posicionador, ubicando la posición de equilibrio según el setpoint procedente del maestro. La posición real volverá al bloque AO y cerrará el circuito con el maestro vía parámetro ReadBack.

Los diagnósticos pueden monitorearse a través de la señal del sensor Hall vía maestro clase 2, tales como:

  • Odómetro, que permite prever estadísticamente con el curso de la válvula el momento de ejecutar el mantenimiento;
  • Strokes (toques), que permiten acompañar el desgaste de los batentes de la válvula en las condiciones extremas de los límites de su curso;
  • Reversals (inversiones) que identifican cuantas veces hubo inversión del setpoint y permiten analizar la sintonía del circuito. Un gran numero de reversals significa mala sintonía y que el proceso puede tener su variabilidad perjudicada;
  • Velocidad mediana e instantánea del desplazamiento, como también los tiempos de abertura y cierre, diagnosticando el bloqueo y stress mecánico o problemas de flujo de aire;
  • La mas alta y la mas baja temperatura a que se sometió el posicionador. En casos donde la temperatura sea un factor limitante, se puede utilizar el FY303 con sensor Hall remoto o mismo en sitios de difícil acceso o sometidos a vibraciones, en distancias hasta de 20m. Vea la figura 7. Esta es una característica típica del sensor Hall:

Figura 7 – Posicionador con Hall Remoto.

Figura 7 – Posicionador con Hall Remoto.

Smar aún presenta el FY303 con sensores de presión, con funciones de diagnóstico agregadas al equipo.

El FY303 también provee señal de temperatura ambiente, como variable secundaria.

Figura 8– Ejemplo de aplicación en Profibus

Figura 8– Ejemplo de aplicación en Profibus

Pruebas de Curso Parcial o PST – Partial Stroke Test

El manejo y pruebas con equipos  cuestan caro, no solo con respecto a interrupciones de la planta, pero también de los equipos adicionales necesarios a la verificación del funcionamiento de  válvulas, actuadores y posicionadores.

Generalmente los dispositivos adicionales son válvulas de bloqueo de operación manual, válvulas solenoides,  tubería de desvíos, aparatos mecánicos de fin de curso, sin olvidar la logística y el número de profesionales involucrados en la actividad, además de los lucros cesantes de la empresa.

Lo ideal sería ejecutar tales pruebas mas frecuentemente y bajo pre-programación. Lo ideal sería manejar parámetros que indicaran el nivel de degradación de la válvula y permitieran el mantenimiento preventivo. Lo ideal será tener costos más bajos.

Una solución sencilla, más barata y más confiable es la Prueba de Curso Parcial o PST - Partial Stroke Test. Consiste en mover el astil de la válvula parcialmente y medir el esfuerzo necesario a ese movimiento. Y más aún: puédese medir la velocidad de respuesta de la válvula, o, mismo, chequear si la válvula no está bloqueada o si el actuador neumático está adecuadamente presurizado, sin necesidad de irse hasta el sitio donde se ubica la válvula.

Figura 9 – Diagnóstico  Preventivo

Figura 9 – Diagnóstico  Preventivo

Diagnóstico Preventivo. Esto es lo que tu válvula necesita.

Sin embargo, el PST automático y a costos aceptables solo fue posible con el desarrollo del Posicionador Inteligente para Válvulas y la amplia gama de parámetros disponibles que generan una gran variedad de diagnósticos cuando monitoreados y configurados.

La más nueva familia de Posicionadores Inteligentes para Válvulas FY400 de SMAR ya incorpora el PST en su firmware, o sea, ya es suministrado por la fábrica, sin costo a parte, con los comandos PST para configuración del usuario.

Además, el FY400 fue desarrollado en EDDL (Electronic Device Description Language) y cumple con las normas del FDT Group (Field Device Tool). Los llamados DTMs (Device Type Manager), impulsores para configuración y visualización en estaciones computadorizadas con el aplicativo FDT, están disponibles en el sitio de Smar para descargar, también sin costo al usuario.

En consecuencia de los excelentes resultados con el FY400, SMAR acaba de expandir esa facilidad al FY302 de Posicionadores inteligentes para válvulas con el protocolo de comunicación Profibus. A costo cero. E, igualmente, desarrolló los DTMs para el FY303, también presentados gratis en la página de Smar en Internet.

En seguida, algunos ejemplos de las pantallas del DTM que ilustran características del PST incorporados al FY303.

Figura 10 - Ejemplos de pantallas del  DTM del FY303

Figura 10 - Ejemplos de pantallas del  DTM del FY303

En las pantallas del DTM es posible configurar no solo el valor del curso parcial, pero también la frecuencia de la ejecución automática del PST, o sea, sin interferencia del operador o profesional de instrumentación. El PST de los Posicionadores Inteligentes para Válvulas SMAR puede  ejecutarse en intervalos que varían de 4 minutos a 1 año (8760 h).

Además, el PST puede ser ejecutado a partir del administrador de activos de SMAR, el AssetView. Los datos resultantes pueden visualizarse en las varias pantallas de presentación y monitoreo del AssetView.

El modo utilizado por el Posicionador Inteligente para Válvulas FY303 y FY400 para ejecutar el PST es conocido como método de Rampa Dinámica. Una señal de Set Point es generada automáticamente en la banda de off set determinada por el usuario. La válvula se mueve en respuesta a la variación del Set Point, mientras el posicionador mide la posición de la válvula a través del sensor de posición sin contacto mecánico, basado en el sensor de Efecto Hall. Al mismo tiempo, el posicionador mide la presión aplicada necesaria para mover el astil de la válvula. Después de llegar al punto máximo del Off Set, el posicionador revierte la rampa para que la válvula vuelva a su respectiva presión de accionamiento. Al final de la prueba el FY calcula y da el factor de carga (load factor) de la válvula, o sea, el valor de presión necesario a mover el astil y también el gráfico resultante.

Las figuras siguientes ejemplifican el resultado del PST en el FY303 y el FY400 según el protocolo FET/DTM. Pantallas semejantes también están disponibles en el AssetView de Smar.

Figura 11 -Pantallas de Resultados del PST

Figura 11 -Pantallas de Resultados del PST

Al considerarse el creciente interés en sistemas instrumentados de seguridad – SIS, el PST ya es reconocido y ya influencia los cálculos referentes al índice de Probabilidad de Fallo Bajo Demanda – PFD (Probability of Failure on Demand) usado para determinar el Nivel de Integridad Segura – SIL (Safety Integrity Level).

CONFIGURAÇÃO Y PARAMETERIZACIÓN DEL POSICIONADOR INTELIGENTE FY303 - PROFIBUS-PA

Configurando aciclicamente el FY303

Estos dispositivos pueden configurarse en local con la herramienta magnética, o en forma remota, sin necesidad de abrir la tapa a través del ProfibusView de Smar o el Simatic PDM de Siemens.

El FY303 fue proyectado para utilizar el protocolo PROFIBUS PA y se puede configurar con cualquier herramienta funcionando con DD/EDDL y también con el concepto de herramienta FDT (Field Device Tool) y DTM (Device Type Manager), tales como AssetView de Smar, FieldCareTM y PACTwareTM. Puede también configurarse cíclicamente por cualquier sistema PROFIBUS usando el archivo GSD (Generic Station Description). El PROFIBUS PA también presenta información sobre calidad y diagnóstico, mejorando la supervisión y el mantenimiento de la planta.

Los archivos EDDL (Electronic Device Description Language) y DTM están disponibles en la página de Smar en Internet: https://www.smar.com/es

Figura 12 – FY303 –FTD/DTM – AssetView

Figura 12 – FY303 –FTD/DTM – AssetView

Configurando Cíclicamente el FY303

Através del archivo GSD el maestro ejecuta todo el proceso de inicialización del equipo y este archivo trae detalles de revisión de hardware y software, bus timing e informaciones sobre el intercambio de datos cíclicos. El FY303 tiene 1 bloque funcional AO. Con este bloque el maestro clase 1 ejecutará los servicios cíclicos y el usuario deberá escoger la configuración, según su aplicación. Si el bloque AO esté en AUTO, el equipo recibirá el valor y el estatus del setpoint del master clase 1 y además el usuario podrá escribir en esto valor vía master clase 2. En este caso, el estatus del setpoint debe ser siempre igual a 0x80 (“good”) y se puede escoger las siguientes configuraciones:

  • SP
  • SP/CKECKBACK
  • SP/READBACK/POSD
  • SP/READBACK/POSD/CKECKBACK

Si el bloque AO está en RCAS, el equipo recibirá el valor y estatus del setpoint solamente vía master clase 1, y el estatus suele siempre ser igual a 0xc4 ('IA'). Se pueden escoger las siguientes configuraciones:

  • SP
  • SP/CKECKBACK
  • SP/READBACK/POSD
  • SP/READBACK/POSD/ CKECKBACK
  • RCASIN/RCASOUT
  • RCASIN/RCASOUT/ CKECKBACK
  • SP/READBACK/RCASIN/RCASOUT/POSD/CHECKBACK

Veremos en seguida los pasos necesarios a la integración de un equipo FY303 a un sistema PA:

  • Copiar el archivo gsd del FY303 para el directorio de investigación del configurador PROFIBUS, normalmente llamado de GSD.
  • Copiar el archivo bitmap del FY303 en el directorio de investigacón del configurador PROFIBUS, normalmente llamado de BMP.
  • Tras escoger el maestro, se escoge la tasa de comunicación, teniendo en cuenta que con los aclopadores, las tasas pueden ser las siguientes: 45.45 kbits/s(Siemens), 93.75 kbits/s(P+F) y 12Mbits/s (P+F, SK3. Con  el dispositivo de conexión , la tasa puede alcanzar 12Mbits/s.
  • Se añade el FY303 especificando su dirección en el barramiento.
  • Se elige la configuración cíclica vía parameterización con el archivo GSD, según la aplicación. Téngase en cuenta que esta elección debe ser compatible con el modo de operación del bloque AO. En estas condiciones, haya vista al valor del estatus del valor de setpoint, que debe ser 0x80 (Good), cuando el modo sea Auto y 0xc4 (IA) cuando sea Rcas.
  • Se pude también activar la condición watchdog, que, tras el equipo esclavo detectar una pérdida de comunicación como maestro, el equipo podrá adoptar la condición de seguridad contra fallos. Como el FY303 estará en un elemento final, se recomienda configurar un valor de fallo seguro.

Para más detalles, consulte el manual del FY303 en: https://www.smar.com.br/public/img/produtos/arquivos/prviewpamp.pdf

CONCLUSIÓN

Vimos en este artículo los beneficios que un posicionador basado en tecnología digital puede ofrecer, principalmente por la facilidad de montaje y funcionamiento. Acuérdate siempre que estos equipos se emplearan con elementos finales, puntos críticos de control, cuya operación exacta y segura es necesaria. La flexibilidad, los recursos y la generación de diagnósticos avanzados facilitan el mantenimiento preventivo, predictivo y proactivo.

Para más detalles sobre posicionadores, consultar:https://www.smar.com/es/producto/fy300series-posicionador-de-valvulas-inteligente

Para más detalles sobre el ProfibusView, herramienta de configuración y parameterización Profibus-PA, consultar:https://www.smar.com.br/public/img/produtos/arquivos/prviewpame.pdf

Para más dtalles sobre el AssetView, herramienta de mantenimiento y diagnósticos, consultar:https://www.smar.com/es/producto/assetview-herramienta-de-administracion-de-equipos-de-campo